Erosione e corrosione nell’ingegneria meccanica

La corrosione e l’erosione influiscono sulla vita utile e sulle prestazioni dei componenti. Ma qual è la differenza tra erosione e corrosione? Quali tipi esistono? E come si possono contrastare queste forze? L’articolo seguente esamina più dettagliatamente questi aspetti.

Qual è la differenza tra erosione e corrosione?

Nella vita quotidiana i due termini erosione e corrosione spesso vengono confusi, ma entrambi indicano due concetti completamente diversi: l’erosione si riferisce alla rimozione di materiale e quindi a un cambiamento fisico, mentre la corrosione è principalmente un cambiamento causato da una reazione chimica. Nel contesto dell’ingegneria meccanica l’erosione significa che, ad esempio, l’effetto meccanico di particelle erosive sulla superficie di un componente provoca il danneggiamento o l’abrasione del materiale superficiale. Il danno risultante può essere di dimensioni microscopiche, ma anche di natura macroscopica, cioè visibile a occhio nudo. L’abrasione è una forma di erosione e indica il processo di rimozione del materiale da una superficie solida mediante attrito con un altro corpo di attrito. I corpi di attrito possono essere piccole particelle in un flusso di gas, ma anche in un flusso di liquidi o sfregamento di solidi. Il materiale rimosso viene definito abrasione.

La corrosione, invece, descrive una reazione chimica o elettrochimica del materiale basata su un’interazione con l’ambiente, che porta a un cambiamento del materiale fino alla sua distruzione. L’erosione può essere un prerequisito per la corrosione, come la corrosione erosiva. In questo caso speciale la rimozione (erosione) del rivestimento in ossido sulla superficie del metallo causa un attacco corrosivo sulla superficie ora esposta delle aree interessate.

Alcuni metalli e leghe metalliche, come ferro o acciaio, sono soggetti a corrosione, che può portare alla distruzione completa. Altre leghe metalliche corrosive si corrodono sulla loro superficie e formano un rivestimento in ossido a tenuta di ossigeno, che impedisce una corrosione più profonda. Ad esempio, l’alluminio o il rame non trattato sono suscettibili alla corrosione dovuta all’umidità e ai sali. Reagiscono con l’umidità e l’ossigeno dell’ambiente e formano un rivestimento in ossido protettivo sulla superficie del materiale, che quindi protegge da ulteriore corrosione.

Sia la corrosione sia l’erosione sono un problema importante in molti settori e comportano usura dei materiali e costi di manutenzione elevati.

Corrosione nel dettaglio

DIN EN ISO 8044 definisce la corrosione come la reazione di un materiale al suo ambiente. Questa reazione causa un cambiamento misurabile nel materiale e può portare a una compromissione funzionale. Questa reazione è solitamente di natura elettrochimica, ma può avere anche cause chimiche o metallo-fisiche. Lo standard differenzia ulteriormente tra danni da corrosione e stress da corrosione:

• Danno da corrosione: danno materiale dovuto a reazioni chimiche o elettrochimiche con l’ambiente. Si formano prodotti di corrosione che indeboliscono il materiale, ad es. corrosione superficiale o corrosione degli spazi.
• Stress da corrosione: Contaminazione del materiale dovuta a condizioni ambientali corrosive. Questa sollecitazione può essere aumentata da fattori quali umidità, contenuto di sale, temperatura e influenze chimiche. Lo stress da corrosione rende i materiali più suscettibili ai danni da corrosione, specialmente con sollecitazioni meccaniche aggiuntive.

Sintomi della corrosione

Esistono diversi stadi o aspetti della corrosione:

• Non si osservano cambiamenti sulla superficie: non si sono formati sottoprodotti di corrosione o i depositi sulla superficie incidente sono nell’intervallo dei nanometri; pertanto è improbabile una degradazione ulteriore.
• La superficie è scolorita, altrimenti non vi sono cambiamenti: i sottoprodotti della corrosione sono visibili sulla superficie, ma la corrosione non progredisce ulteriormente. Lo scolorimento ha uno spessore di svariati 10 nm di formazione di ruggine.
• Corrosione progressiva: i sottoprodotti della corrosione non aderiscono saldamente alla superficie, esponendo quindi continuamente la superficie all’ambiente che induce la corrosione. Ciò è evidente dalla ruggine, ad esempio in acciai non legati esposti a pioggia o vento.
• Nessuna formazione di ruggine, corrosione progressiva: I sottoprodotti della corrosione si sono disciolti nell’ambiente, ma la corrosione continua a progredire, ad esempio quando il metallo entra in contatto con l’acido.

Tipi di corrosione

La corrosione può essere classificata in base al tipo di meccanismi di reazione: Corrosione chimica, corrosione elettrochimica e corrosione metallo-fisica.

• Corrosione chimica: La corrosione chimica si verifica quando metalli e altri materiali reagiscono con il loro ambiente, in particolare con ossigeno, acqua o prodotti chimici aggressivi, e vengono quindi scomposti e distrutti.
• Corrosione elettrochimica: La corrosione elettrochimica è innescata dalla presenza di un elettrolita, ad es. corrosione intercristallina.
• Corrosione metallo-fisica: La corrosione metallo-fisica si verifica quando fenomeni fisici portano alla corrosione.

Resistenza alla corrosione e protezione dalla corrosione

La resistenza alla corrosione è una proprietà del materiale che dipende dai fattori seguenti, ad esempio:

• Composizione del materiale
• Trattamento superficiale
• Elementi della lega

Idealmente i componenti pertinenti hanno una resistenza alla corrosione elevata. Tuttavia esistono anche altre opzioni per la protezione dalla corrosione.

La tabella seguente mostra gli effetti della prova di spruzzo dell’acqua salata in conformità a JIS H8502 su un semplice cuscinetto a sfere lineare con flangia:

Erosione nel dettaglio

L’erosione è particolarmente importante quando macchine e componenti sono soggetti a carichi estremi. Anche la forma e l’angolo di attacco delle particelle incidenti influenzano l’effetto di usura. Anche la proprietà del materiale svolge un ruolo. I materiali fragili si comportano in modo diverso da quelli duttili. Per il vetro come materiale fragile, ad esempio, la sensibilità all’usura aumenta con l’angolo di attacco, letteralmente si scheggia. Per i materiali duttili l’usura aumenta con un angolo di attacco fino a 25°, ma poi scende di nuovo rapidamente.

Ecco alcuni esempi di possibili modalità di guasto di materiali diversi:

• 1 - Duttile, morbido
• 2 - Duttile, morbido, rivestito
• 3 - Fragile

Sui materiali fragili possono verificarsi varie modalità di frattura a seconda della struttura del materiale, della forma e dell’energia d’impatto della particella impattante e dei diversi angoli di impatto:

• 1 - Rottura conica
• 2 - Rottura radiale
• 3 - Rottura laterale

Erosione come processo di produzione per la rimozione dei materiali

L’erosione può essere utilizzata anche per effetto positivo, ad esempio per erosione a scintilla. L’elettroerosione a tuffo è un processo di produzione termica di rimozione. Si basa su processi di scarica elettrica e quindi è adatto solo per i materiali conduttivi. Uno strumento a elettrodo immerso in un dielettrico viene alimentato con tensione CC e quindi guidato verso un materiale conduttivo. Ciò causa scariche sotto forma di scintille, che comportano temperature elevate fino a 1200 °C. Il materiale del pezzo da lavorare viene fuso e le particelle di materiale rimosse vengono rimosse nel liquido. Forme geometriche complesse con una qualità superficiale elevata possono essere prodotte dall’erosione a scintilla. La pressofusione, come sottotipo di erosione a scintilla, utilizza uno strumento che rappresenta un negativo della struttura da produrre. Questo metodo viene utilizzato principalmente per varie parti stampate.

L’erosione da particelle è un altro modo per fare un uso mirato dell’erosione nell’ingegneria meccanica. L’erosione da particelle si verifica quando piccole particelle solide (ad es. sabbia) vengono spinte contro la superficie di un componente. Ciò comporta l’abrasione e la perdita di materiale.

Protezione da corrosione ed erosione

Esistono vari tipi di protezione da corrosione ed erosione. Il principio di base è che le proprietà vengono aggiunte al materiale da proteggere per renderlo più resistente all’erosione e/o alla corrosione. Ciò prolunga anche la vita utile. Tuttavia una protezione ulteriore dall’erosione è spesso più costosa della semplice sostituzione del componente e quindi deve essere considerata attentamente. La protezione dall’erosione e la protezione dalla corrosione possono essere classificate in protezione passiva e attiva da erosione o corrosione.

La protezione passiva dalla corrosione viene ottenuta, ad esempio, mediante agenti di protezione dalla corrosione che proteggono le superfici metalliche come rivestimento. Un rivestimento protettivo viene applicato spesso come operazione finale. I metodi comuni includono la spruzzatura termica e il rivestimento polimerico:

• Spruzzatura termica: La spruzzatura termica implica la spruzzatura di materiali additivi sulla superficie come particelle di spruzzatura, che poi vengono depositate sulla superficie in strati per formare lo strato di spruzzatura. L’applicazione principale per la spruzzatura termica è la protezione dalla corrosione e dall’usura. Il carico termico di questo metodo è molto basso. La spruzzatura ad arco, la spruzzatura al plasma e la spruzzatura alla fiamma sono sottotipi.
• Rivestimento polimerico: Il rivestimento polimerico implica il rivestimento dell’utensile con uno strato di materiale polimerico. I rivestimenti polimerici tribologici sono particolarmente adattabili. Riducono l’abrasione e sono utilizzati anche come protezione contro corrosione e usura. Sono disponibili le opzioni seguenti: Rivestimento a polvere, rivestimento al plasma per rivestimenti molto sottili, rivestimento a umido, rivestimento a vuoto.

La protezione della corrosione attiva viene utilizzata principalmente su pezzi inaccessibili, ad es. cavi o tubi sommersi o sotterranei. La protezione dalla corrosione attiva può essere ottenuta aggiungendo un inibitore della corrosione o mediante polarizzazione elettrochimica. Si distingue tra protezione anodica e catodica:

• Catodica: il metallo da proteggere è collegato come un catodo con un anodo a carica positiva (per esempio, un metallo non nobile, come lo zinco) per mezzo di corrente esterna. Le fonti di corrente esterne possono essere omesse anche quando il magnesio viene utilizzato come anodo. Gli elettrodi sono diretti verso il materiale da proteggere e vengono assorbiti da quest’ultimo. Viene creata una corrente protettiva che previene la ruggine.
• Anodica: sui metalli che generano prodotti di corrosione o ossidazione, questi prodotti vengono utilizzati come strato protettivo per prevenire attacchi ulteriori.